太原理工大學(xué)GNSS衛(wèi)星定位原理及應(yīng)用-第二章課件

1、第二章 坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)第一節(jié) 天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系統(tǒng)一、坐標(biāo)系概述坐標(biāo)系統(tǒng)是描述點(diǎn)空間位置的參照系統(tǒng)，空間任何一點(diǎn)的位置均可用最少3個(gè)坐標(biāo)參數(shù)唯一表示，三個(gè)參數(shù)隨著坐標(biāo)系或坐標(biāo)系的組合形式不同而不同。常用的點(diǎn)的坐標(biāo)表示形式：空間直角坐標(biāo)（3維形式）-（X Y Z）大地坐標(biāo)（曲線坐標(biāo)、3維形式）-（B L H）極坐標(biāo)（3維形式）-（r ）高斯平面投影坐標(biāo)+正常高（2維+1維組合）-（x y）、HN，點(diǎn)的高斯坐標(biāo)由大地坐標(biāo)（B、L）投影后形成，高程為正常高把一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)下同時(shí)擁有3個(gè)坐標(biāo)參數(shù)的坐標(biāo)系稱3維坐標(biāo)系；把僅有兩個(gè)坐標(biāo)參數(shù)（一般為B,L）的坐標(biāo)系稱二維坐標(biāo)系二、GPS定位中常用到的坐

2、標(biāo)系天球坐標(biāo)系CIS空間直角坐標(biāo)系球面坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系地球地心地固坐標(biāo)系CTS坐標(biāo)系、瞬時(shí)地球坐標(biāo)系3維（BLH）（XYZ）地球參心地固坐標(biāo)系2維（BL）-（x,y）ITRS-WGS84-GPSE2000-GALILEO？PZ90-GLONASSCGCS2000-BDS1954北京坐標(biāo)系Beijing 541980西安坐標(biāo)系GDZ80地方獨(dú)立坐標(biāo)系國際通用，也是各國坐標(biāo)系的母體坐標(biāo)地球站心坐標(biāo)系3維（XYZ）站心赤道直角坐標(biāo)系站心地平直角坐標(biāo)系站心極坐標(biāo)系1.天球坐標(biāo)系以圓球?yàn)樽鴺?biāo)基準(zhǔn)，用來描述天體位置的坐標(biāo)系；主要有空間直角坐標(biāo)和球面坐標(biāo)兩種等效坐標(biāo)形式以S點(diǎn)的坐標(biāo)為例兩種坐標(biāo)形式為：兩種天

3、球等效坐標(biāo)形式的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：由于天軸（地軸的延伸）指向隨時(shí)間變化，其變化表現(xiàn)為歲差和章動(dòng)等天文現(xiàn)象，天極隨時(shí)間變化形成協(xié)議極、瞬時(shí)平天極、瞬時(shí)真天極三種；天球坐標(biāo)系也隨時(shí)間分為CIS、CISM、CIST三種時(shí)空形式三者之間的關(guān)系由歲差矩陣、章動(dòng)矩陣決定大地測量學(xué)基礎(chǔ)天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)（CIS）瞬時(shí)平天球坐標(biāo)（CISM)瞬時(shí)真天球坐標(biāo)（CIST)P-歲差改正矩陣1） CIS CISM歲差參數(shù)2.地球地固坐標(biāo)系：點(diǎn)在地球坐標(biāo)系中的主要坐標(biāo)形式有：空間直角坐標(biāo)與大地坐標(biāo)兩種形式以T點(diǎn)的坐標(biāo)為例，兩種坐標(biāo)形式為：兩種地球等效地球坐標(biāo)形式的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：由于地軸指向隨時(shí)間變化，其變化表現(xiàn)為地軸北極的極

4、移，使地球極隨時(shí)間變化形成瞬時(shí)極、平極（協(xié)議極），相應(yīng)的赤道又分為平赤道面、協(xié)議赤道面；極移又稱S.C.Chandler運(yùn)動(dòng)；地球坐標(biāo)系又隨時(shí)間分為CTS、CTST兩種時(shí)空形式1)瞬時(shí)真地球坐標(biāo)（CTST）-協(xié)議地球坐標(biāo)(CTS)轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)矩陣極移矩陣上述轉(zhuǎn)換過程可用于GNSS衛(wèi)星（飛行中的已知點(diǎn)）坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換如GPS衛(wèi)星轉(zhuǎn)換：由衛(wèi)星星歷提供Kepler根數(shù)計(jì)算衛(wèi)星的軌道坐標(biāo)-協(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)-瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系-瞬時(shí)真天球坐標(biāo)-瞬時(shí)地球坐標(biāo)-協(xié)議地球坐標(biāo)（美國的WGS84）第二節(jié) GNSS系統(tǒng)的大地坐標(biāo)系及我國大地坐標(biāo)系一、GPS坐標(biāo)系- WGS-84WGS-84定義：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸

5、指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP-Conventional Terrestrial System)方向，X軸指向BIHl984.0的零子午面和CIP-Conventional international pole赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z-O-X平面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。WGS-84橢球參數(shù):長半軸a6378137土2m； 地心引力常數(shù)(含大氣層)GM(3986005l 0.6)l08（m3s-2）正常化二階帶諧系數(shù) 48416685*10-61.3 l0-9地球自轉(zhuǎn)角速度 729211510-11土0.150010-11(rads-1)利用以上4個(gè)基本常數(shù)，可以計(jì)算出其它的橢球常數(shù)，如第一

6、、第二偏心率e2、e2和扁率二、GLONASS坐標(biāo)系- PZ-90定義原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸指向IERS推薦的協(xié)議地球極(19001905平均極)方向，X軸指向地球赤道與BIH定義的零子午面交點(diǎn)，Y軸與Z-O-X平面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。PZ-90坐標(biāo)基準(zhǔn)參數(shù)地球平均半徑Re=6378136m地球自轉(zhuǎn)角速度 =0.000 072 921 15rad/s地球引力常數(shù)GMe=398 600.4km3/s-2地球重力場系數(shù) -0.001 082 63 CGCS2000坐標(biāo)基準(zhǔn)參數(shù)地球平均半徑Re=6378137m地球自轉(zhuǎn)角速度 =7.2 92115 10-5 rad/s-1地球引力常數(shù)GMe=3.98 6

7、004418 104km3/s-2地球動(dòng)力形狀因子J2=-0.001082629832258正常橢球與參考橢球一致CGCS2000由三個(gè)層次的站網(wǎng)與坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)與維持第1層次：A級GNSS衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行參考網(wǎng)，用于全球地球動(dòng)力學(xué)、地殼形變測量、衛(wèi)星精密定軌測量，用GPS、GLONASS、VLBI、SLR等技術(shù)手段測量。第2層次：B級GNSS大地網(wǎng)，國家二等大地控制網(wǎng)，用于建立地方或城市坐標(biāo)基準(zhǔn)框架，區(qū)域地球動(dòng)力學(xué)和地殼形變測量、精密工程測量等2000橢球幾何參數(shù)a6378137mf=1/298.257222101 第3層次：GNSS C、D、D、E級網(wǎng)和天文大地網(wǎng)，用于建立三等及以下控制網(wǎng)測量和

8、工程測量四、WGS-84/PZ-90/ CGCS-2000 坐標(biāo)系特點(diǎn)都屬于CTS坐標(biāo)，三維坐標(biāo)；都至少有（XYZ）（BLH）兩種坐標(biāo)形式和投影坐標(biāo)（x,y）形式都源于ITRS(或其實(shí)現(xiàn)ITRF)都是本系統(tǒng)單點(diǎn)定位或稱絕對定位的坐標(biāo)，以及相對定位中解算的基線向量的本坐標(biāo)系同屬地球地心、地固坐標(biāo)系三種坐標(biāo)系在三維層面的坐標(biāo)之差為cm級，三維層面可有全球統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)，如PZ-90/WGS-84之轉(zhuǎn)換關(guān)系式（2-1）式1980西安坐標(biāo)系（參心坐標(biāo)系）還進(jìn)行了如下定義：橢球短軸Z軸平行于由地球地心指向1968.0地極原點(diǎn)(JYD)的方向；大地起始子午面平行于格林尼治平均天文臺(tái)子午面，X軸在大地起始子

9、午面與Z軸垂直指向經(jīng)度零方向；y軸與Z，X軸成右手坐標(biāo)系。從而確保了GDZ80坐標(biāo)系橢球定向、定位的明確性，克服了1954北京坐標(biāo)缺點(diǎn)。IUGG1975國際橢球賦予了明確物理意義，給出了相應(yīng)橢球參數(shù)：可導(dǎo)出如下幾何參數(shù)3.國家大地原點(diǎn)大地原點(diǎn)：國家水平大地控制網(wǎng)點(diǎn)大地坐標(biāo)的起算點(diǎn)。大地起算數(shù)據(jù)：體現(xiàn)在大地原點(diǎn)上，共有四個(gè)個(gè)，包括大地原點(diǎn)的大地坐標(biāo)值L0、B0、H0，以及大地原點(diǎn)至某一方向的大地方位角A0，這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了經(jīng)典大地測量的基準(zhǔn)。陜西涇陽縣永樂鎮(zhèn)大地原點(diǎn)外部內(nèi)景第三節(jié) 坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換一、轉(zhuǎn)換的主要形式（復(fù)習(xí)大地測量基礎(chǔ)內(nèi)容）1.同一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)不同坐標(biāo)形式的變換1）大地坐標(biāo)與空間直角

10、坐標(biāo)間等價(jià)變換2）球面（大地）坐標(biāo)與平面坐標(biāo)間投影變換3）空間直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)間等價(jià)變換有關(guān)模型在大地測量基礎(chǔ)和本章1，2節(jié)已述及2.不同坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換統(tǒng)一規(guī)定：下標(biāo)A目標(biāo)坐標(biāo)系；下標(biāo)B源坐標(biāo)系1）不同空間直角坐標(biāo)間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換平移矩陣尺度系數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣兩空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型中有7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)。其中平移參數(shù)3個(gè)、旋轉(zhuǎn)參數(shù)3個(gè)、尺度參數(shù)1個(gè)。除上述布爾薩模型外，還有莫洛金斯基、武測等模型2）不同球面（大地）坐標(biāo)間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換3）不同平面坐標(biāo)間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換4）GNSS測量中，不同坐標(biāo)間轉(zhuǎn)換主要是下列兩種另有三維七參、二維七參、二維四參等多種轉(zhuǎn)換模型；參見大地測量學(xué)基礎(chǔ)和其它專業(yè)書籍（3）模型參數(shù)計(jì)算以轉(zhuǎn)換

11、模型為基礎(chǔ)方程，將重合點(diǎn)的兩套坐標(biāo)數(shù)據(jù)代入模型求轉(zhuǎn)換參數(shù)，有多余重合點(diǎn)時(shí)應(yīng)應(yīng)用最小二乘原理求轉(zhuǎn)換參數(shù)的最或然解。 （4）精度評估與檢核選擇部分重合點(diǎn)作為外部檢核點(diǎn)，不參與轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算，用轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算這些點(diǎn)的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)與已知坐標(biāo)進(jìn)行比較進(jìn)行外部檢核。應(yīng)選定至少6個(gè)均勻分布的重合點(diǎn)對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度進(jìn)行檢核 三、附標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模型（供實(shí)用）（1）二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型 同一點(diǎn)位在兩個(gè)坐標(biāo)系下的緯度差經(jīng)度差，單位為弧度 橢球長半軸差（單位米）、扁率差（無量綱）， 平移參數(shù)，單位為米， 旋轉(zhuǎn)參數(shù)，單位為弧度， 尺度參數(shù)（無量綱）（4）三維七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型 （5）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度評定和評估方法 依據(jù)計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型參數(shù)

12、的重合點(diǎn)（沒有參與轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算的重合點(diǎn)）的殘差中誤差評估坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度。對于n個(gè)點(diǎn)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度估計(jì)公式如下： V（殘差）=重合點(diǎn)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)-重合點(diǎn)已知坐標(biāo)空間直角坐標(biāo)X殘差中誤差空間直角坐標(biāo)Y殘差中誤差空間直角坐標(biāo)Z 殘差中誤差點(diǎn)位中誤差平面坐標(biāo)x殘差中誤差平面坐標(biāo)y殘差中誤差大地高H殘差中誤差平面點(diǎn)位中誤差為（6）決定不同坐標(biāo)間轉(zhuǎn)換精度的因素重合點(diǎn)在網(wǎng)中的分布狀況轉(zhuǎn)換模型精度與適用性重合點(diǎn)的坐標(biāo)分量及點(diǎn)位精度三、GNSS測量中涉及的其它坐標(biāo)1.站心坐標(biāo)系概述有站心赤道直角坐標(biāo)系、站心地平直角坐標(biāo)系和站心地平極坐標(biāo)系三種坐標(biāo)系形式。GNSS坐標(biāo)計(jì)算中，常用的為站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)

13、系：站心地平、站心赤道坐標(biāo)和地球空間直角坐標(biāo)關(guān)系圖2.站心赤道直角坐標(biāo)系定義：以測站P1為原點(diǎn)，且與地球空間直角坐標(biāo)系，O-XYZ相應(yīng)坐標(biāo)軸平行的坐標(biāo)系站心赤道坐標(biāo)系與地球空間直角坐標(biāo)間關(guān)系為簡單的平移關(guān)系3.站心地平直角坐標(biāo)系P1-xyz定義：以P1為原點(diǎn)，過測站P1的法線為z軸，指向天頂為正，以子午線方向?yàn)閤軸，向北為正，以與x、z垂直方向?yàn)閥軸，東為正。地平直角坐標(biāo)系與站心赤道直角坐標(biāo)系關(guān)系可通過旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)，關(guān)系式如下： 4.GNSS空間直角坐標(biāo)與地平直角坐標(biāo)的關(guān)系5.站心地平極坐標(biāo)系P1rAh（用于描述測站與衛(wèi)星的相對位置） 定義：以測站P1為原點(diǎn)，坐標(biāo)參數(shù)為： r-測站P1至衛(wèi)星s

14、的距離 A-衛(wèi)星的方位角，zox平面與zos平面的夾角，左旋為正h-衛(wèi)星的高度角os與xoy平面的夾角。1）站心地平極坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系關(guān)系：A=arc tan(y/x) h=arctan(z/(x2+y2)1/2) 四、GNSS衛(wèi)星（飛行中的已知點(diǎn)）坐標(biāo)計(jì)算流程GNSS定位坐標(biāo)計(jì)算流程地面監(jiān)測站監(jiān)測衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主控站處理注入站衛(wèi)星用戶獲得導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文計(jì)算衛(wèi)星在協(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星在瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星在瞬時(shí)地球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)通過星地距離方程解算基線將接收機(jī)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為北京54或西安80坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星在協(xié)議地球坐標(biāo)系CTS中的坐標(biāo)計(jì)算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)

15、算衛(wèi)星在瞬時(shí)真天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)衛(wèi)星參考?xì)v元的Kepler參數(shù)+攝動(dòng)改正參數(shù)=實(shí)際觀測歷元的Kepler參數(shù)計(jì)算衛(wèi)星在協(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)第四節(jié) 坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換一、GNSS定位中時(shí)間的意義GNSS定位過程是在嚴(yán)格的時(shí)間定義下進(jìn)行的，無論是坐標(biāo)系的定義、GNSS衛(wèi)星信號接收、星地距離測量，還是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換都需在嚴(yán)格的時(shí)間定義下完成二、時(shí)間系統(tǒng)各類與構(gòu)成時(shí)間系統(tǒng)類型：基于各種用途，時(shí)間系統(tǒng)有多種： ST恒星時(shí)、MT平太陽時(shí)、UT世界時(shí)、ATI原子時(shí)、UTC協(xié)調(diào)世界時(shí)。時(shí)間系統(tǒng)構(gòu)成： 由時(shí)間原點(diǎn)(歷元)，時(shí)間尺度(時(shí)間單位)構(gòu)成。1.恒星時(shí)ST(Sidereal Time)原點(diǎn)：以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由

16、春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)所定義的時(shí)間系統(tǒng)為恒星時(shí)系統(tǒng)。 ST尺度：春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時(shí)間間隔為一恒星日，一恒星日分為24個(gè)恒星時(shí)2.平太陽時(shí)MT(Mean SOlar Time) 平太陽：以真太陽周年運(yùn)動(dòng)的平均速度在天球赤道上作周年視 運(yùn)動(dòng)的太陽，其周期與真太陽一致 。時(shí)間原點(diǎn)：以平太陽為參考點(diǎn)，由平太陽的周日視運(yùn)動(dòng)所定義的時(shí)間系統(tǒng)為平太陽時(shí)系統(tǒng)。時(shí)間尺度為：平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時(shí)間間隔為一平太陽日，一平太陽日分為24平太陽時(shí)。 3.世界時(shí)UT(Universal Time)時(shí)間原點(diǎn)：以平子夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽時(shí)定義為世界時(shí)UT。時(shí)間尺度：與平太陽時(shí)的尺度相同4.原子時(shí)

17、ATI（International Atomic TIME）時(shí)間原點(diǎn)：原子時(shí)的起點(diǎn)，按國際協(xié)定取為1958年1月1日0時(shí)0秒(UT2)(事后發(fā)現(xiàn)在這一瞬間AT1與 UT2相差0.0039秒)。 時(shí)間尺度：原子時(shí)的秒長被定義為銫原子C813基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級間躍遷輻射振蕩9192631170周所持續(xù)的時(shí)間。5.協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC (Coordinate universal Time)時(shí)間原點(diǎn)：同UT相同時(shí)間尺度 ：與ATI相同考慮到原子時(shí)比世界時(shí)每年快約1秒，兩者之差逐年積累，便采用跳秒(閏秒)的方法使協(xié)調(diào)時(shí)與世界時(shí)的時(shí)刻相接近，其差不超過1秒。跳秒一般在每年的6月末或12月末實(shí)施。 6.GPS

18、時(shí)間系統(tǒng)-GPST時(shí)間在CPS測量中是一個(gè)基本的觀測量GPS時(shí)間原點(diǎn)與輪次：第1輪：1980年1月6日子夜0時(shí)1999年8月21日午夜結(jié)束，共1024個(gè)星期第2輪：1999年8月22日子夜0時(shí)2019年4月6日午夜結(jié)束第3輪： 2019年4月7日子夜0時(shí)2038年11月20日午夜結(jié)束GPS時(shí)間尺度：采用原子時(shí)AIT秒長作為時(shí)間基準(zhǔn)。啟動(dòng)后不跳秒，保持時(shí)間的連續(xù)。因此GPS時(shí)與UTC時(shí)存在一定秒差，其差異通過時(shí)間服務(wù)部門定期公布7.GLONASS時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)GLONASST時(shí)間原點(diǎn)與UTC相差3h（GPS時(shí)間與UTC相差為整數(shù)跳秒），時(shí)間尺度與ATI相同。GLONASS星歷內(nèi)容為GLONASS星在PZ-90系統(tǒng)中的位置、速度、日月8.GNSS時(shí)間系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)GNS